Bài tập lớn tên đề tài vi sinh vật môi trường nhiễm kim loại nặng

Nguồn gốc phát sinh:- Nguồn tự nhiên: Kim loại nặng được phát hiện ở mọi nơi trong đất đá và xâmnhập vào thủy vực qua quá trình tự nhiên, phong hóa xói mòn.- Nguồn nhân tạo: + Nguồn nông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

TÊN ĐỀ TÀI:

VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG NHIỄM KIM LOẠI NẶNG

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS Đặng Vũ Bích Hạnh

Th.S Trịnh Thị Bích Huyền LỚP: L02, NHÓM: 03

Tp.HCM, 4/2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

TÊN ĐỀ TÀI:

VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG NHIỄM KIM LOẠI NẶNG

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS Đặng Vũ Bích Hạnh

Th.S Trịnh Thị Bích Huyền LỚP: L02, NHÓM: 03

Tp.HCM, 4/2022

Danh sách sinh viên:

1 LÊ TRUNG KIÊN 2113816

2 KHA HẢI LÝ 2114007

3 NGUYỄN HOÀNG TRÀ MY 2111783

5 ĐẶNG NGỌC PHÚ 2114410

LỚP: L02 NHÓM: 03

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 3

I GIỚI THIỆU CHUNG: 4

1 Định nghĩa 4

2 Nguồn gốc phát sinh: 4

3 Ảnh hưởng tiêu cực đến con người: 5

4 Tác hại của một số kịm loại nặng: 5

II Nguyên lí xử lí kim loại nặng bằng thực vật và vi sinh vật: 6

1 Xử lý ô nhiễm bằng thực vật (Phytoremediation): 6

1.1 Nguyên lý: 6

1.2 Các quá trình xử lý 7

1.3 Các phương pháp xử lý: 8

2 Xử lý kim loại nặng bằng vi sinh vật: 11

III Các vi sinh vật tham gia: 12

1 Xử lý bằng thực vật (PHYTOREMEDIATIO) 12

2, Xử lý bằng vi sinh vật: 13

IV Ưu nhược điểm của xử lý kim loại nặng bằng thực vật và vi sinh vật: 14

1 Xử lý bằng thực vật: 14

2 Xử lí bằng vi sinh vật: 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 16

LỜI NÓI ĐẦU

 Chúng ta đang sống trong một thời kì mà nhu cầu của con người được coi trọng hàng đầu Để đáp ứng nhu cầu sống và sinh hoạt của con người, các ngành công nghiệp được tập trung phát triển vượt bậc, các công nghệ khoa học, đặc biệt là hoá học được đưa vào sử dụng một cách tràn lan trong các ngành sản xuất Theo đó, những hiện tượng ô nhiễm môi trường và sự tác động ngược của môi trường đến cuộc sống của con người cũng ngày một rõ rệt hơn Đơn cử

là các ngành sản xuất sử dụng các hợp chất kim loại nặng Các ion kim loại vốn

là những nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể sinh vật Nhưng với nồng độ cao quá mức cần thiết, chúng trở thành những độc chất hàng đầu Kim loại nặng là những nguyên tố siêu bền, không thể chuyển hoá dù chúng ở trong trạng thái nào Cho dù ở trạng thái ion, oxid, baz hay muối, kim loại vẫn là kim loại Theo độc chất học, điều này có nghĩa là khi nhiễm vào cơ thể sinh vật, kim loại nặng có khả năng gây độc cực cao Ở thực vật và động vật, kim loại nặng hàm lượng cao có thể gây chết Ở con người, kim loại nặng với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép có thể gây các bệnh ung thư, chứng ngộ độc thực phẩm, các bệnh về xương khớp, gan, thận Chính vì vậy, chúng ta nhất thiết phải có các biện pháp xử lí kim loại nặng trong môi trường

I GIỚI THIỆU CHUNG:

1 Định nghĩa

- Kim loại nặng (KLN) là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3,

có số nguyên tử cao và thường thể hiện tính kim loại ở nhiệt độ phòng KLN được chia làm 3 loại: các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn…), những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…), các kim loại phóng xạ (U,

Th, Ra, Am,…)

- Ở dạng nguyên tố thì kim loại nặng không có hại, nhưng khi tồn tại ở dạng ion thì kim loại nặng lại rất độc hại cho sức khỏe chúng ta

- Kim loại nặng có thể được chia thành 3 nhóm, dựa theo tính chất ở nhiệt độ thường như sau:

+ Nhóm kim loại độc: Hg, Zn, Cr, Pb, Ni, Cu, As, Cd, Sn, Co,

+ Nhóm kim loại quý: Ru, Au, Ag, Pd, Pt,…

+ Nhóm kim loại phóng xạ: Am, Th, Ra, U,…

2 Nguồn gốc phát sinh:

- Nguồn tự nhiên: Kim loại nặng được phát hiện ở mọi nơi trong đất đá và xâm nhập vào thủy vực qua quá trình tự nhiên, phong hóa xói mòn

- Nguồn nhân tạo:

+ Nguồn nông nghiệp : việc sử dụng các loại phân khoáng, các loại hóa chất bảo vệ thực vật trong nông nghiệp đã đưa vào môi trường đất nhiều nguyên tố kim loại nặng như : As, Hg, Cu, Pb

+ Nguồn công nghiệp: các quá trình công nghiệp, đặc biệt là các quá trình liên quan tới khai khoáng và chế biến quặng kim loại, các lò nấu kim loại, các ngành công nghiệp chế biến có sử dụng hợp chất chứa kim loại như sơn, thuốc nhuộm, thuộc da, dệt, giấy

+ Từ hoạt động của con người: nước thải sinh hoạt chứa các hợp chất tẩy rửa, bùn cống rãnh, khói thải của các phương tiện giao thông, các chất và rác thải chứa kim loại nặng, đạn chì của thợ săn…

(Nguồn: Gs.TS Lê Huy Bá, 2006, 'Độc chất môi trường' trang 181-189)

Ngoài ra, có một số hợp chất kim loại nặng bị thụ động và đọng lại trong đất, song có một số hợp chất có thể hoà tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau, nhất là do độ chua của đất, của nước mưa Điều này tạo điều kiện để các kim loại nặng có thể phát tán rộng vào nguồn nước ngầm, nước mặt và gây

ô nhiễm đất Mưa axit có chứa những kim loại nặng cũng như chất rắn lơ lửng hấp phụ kim loại nặng xâm nhập vào các thủy vực cũng có thể gây ô nhiễm kim loại nặng cho sông hồ

3 Ảnh hưởng tiêu cực đến con người:

- Cơ thể tích lũy hàm lượng lớn kim loại nặng sẽ dẫn đến nhiều biến chứng nặng nề, gây tổn thương não, co rút các bó cơ, kim loại nặng tiếp xúc với màng

tế bào ảnh hưởng đến quá trình phần chia DNA, dẫn đến thai chết, dị dạng, quái thai của các thế hệ sau

- Một số kim loại nặng còn có thể ra các căn bệnh ung thư như: ung thư da, ung thư vòm họng, ung thư dạ dày Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA)

và Cơ quan Quốc tế Nghiên cứu về Ung thư (IARC) coi kim loại nặng là tác nhân gây ung thư lớn ở người

- Nhiễm kim loại gây cản trở quá trình trao đổi chất trong cơ thể, việc hấp thụ chất dinh dưỡng và quá trình bài tiết cũng trở nên khó khăn hơn Kìm hãm sự sinh trưởng và phát triển Làm rối loạn tiêu hóa, rối loạn tim mạch, rối loạn chức năng hệ thống thần kinh

4 Tác hại của một số kịm loại nặng:

- Chì (Pb): Là nguyên tố có độc tính cao đối với sức khỏe con người.

Chì gây độc cho hệ thần kinh trung ương, hệ thần kinh ngoại biên, tác động lên

hệ enzim có nhóm hoạt động chứa hydro Chì tích tụ ở xương, kìm hãm quá trình chuyển hóa canxi bằng cách kìm hãm sự chuyển hóa vitamin D

 Tiêu chuẩn tối đa cho phép theo WHO nồng độ chì trong nước uống là

0,005mg/ml

- Thủy ngân (Hg): Tính độc của thủy ngân phụ thuộc vào dạng hóa học

của nó Thủy ngân có khả năng làm thay đổi hàm lượng kali, thay đổi cân bằng axit bazo của các mô, làm thiếu hụt năng lượng cung cấp cho tế bào thần kinh

Trong nước, metyl thủy ngân là dạng độc nhất, nó làm phân liệt nhiễm sắc thể

và ngăn cản quá trình phân chia tế bào

 Nồng độ tối đa cho phép của WHO trong nước uống là 1mg/l, nước nuôi

thủy sản là 0,5mg/l

- Asen (As): Nồng độ thấp thì kích thích sinh trưởng, nồng độ cao gây

độc cho động thực vật Asen có thể gây ra 10 căn bệnh khác nhau Các ảnh hưởng chính đối với sức khỏe con người là làm keo tụ protein và phá hủy quá trình photpho hóa, gây ung thư tiểu mô da, phổi, phế quản, xoang,

 Tiêu chuẩn cho phép theo WHO nồng độ asen trong nước uống là 50mg/l

- Cadimi (Cd): Cadimi xâm nhập vào cơ thể được tích tụ ở thận và

xương, gây nhiễu hoạt động của môt số enzim, gây tăng huyết áp, ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, làm rối loạn chức năng thận, phá hủy tủy xương, gây ảnh hưởng tới nội tiết, máu, tim mạch

 Tiêu chuẩn theo WHO cho nước uống là 0,003mg/l.

II Nguyên lí xử lí kim loại nặng bằng thực vật và vi sinh vật:

1 Xử lý ô nhiễm bằng thực vật (Phytoremediation):

1.1 Nguyên lý:

Thực vật có thể kích thích sự phân hủy các chất hữu cơ trong vùng quyển rễ thông qua việc giải phóng các chất tiết rỉ rễ, các enzyme và tạo thành cacbon hữu cơ trong đất

      Cơ chế việc xử lý ô nhiễm bằng thực vật

Đối với các chất ô nhiễm kim loại, thực vật sử dụng khả năng tinh lọc, nghĩa là hấp thụ, biến đổi các kim loại vào sinh khối khí sinh thực vật ở các bãi thải (Salt,1995)

Thực vật có nhiều cách phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường Hầu hết, các loài thực vật rất nhạy cảm với sự

có mặt của các ion kim loại, thậm chí ở nồng độ rất thấp Tuy nhiên, vẫn có một số loài thực vật không chỉ có khả năng sống được trong môi trường bị ô nhiễm bởi các kim loại độc hại mà còn có khả năng hấp thụ và tích các kim loại này trong các bộ phận khác nhau của chúng

1.2 Các quá trình xử lý

⁎ Quá trình hấp thụ

Rễ hấp thụ Khi các chất ô nhiễm trong dung dịch đất hoặc nước ngầm tiếp xúc với rễ, chúng được rễ hấp thụ và liên kết với cấu trúc rễ và các thành tế bào Hemiselluoza trong thành tế bào và lớp lipid kép của màng thực vật có thể tạo

thành các chất hữu cơ kỵ nước mạnh (Hemixenluloza: là polisacarit cấu tạo yừ

các gốc pentozan (C5H8O4)n và hecxozan (C6H10O)n Hemixenluloza không hòa tan trong nước nhưng hòatan trong kiềm)

⁎ Quá trình phân hủy và chuyển hóa

Bên trong thực vật, tùy từng thực vật mà quá trình xảy ra ở các bộ phậnkhác nhau.Là quá trình thực vật phân hủy các chất ô nhiễm thông qua quá trình trao đổi chất và chuyển hóa bên trong thực vật, hoặc phân hủy các chất ô nhiễm nhỡ các enzyme do rễ thực vật tiết ra khi chúng từ bên ngoài xâm nhập vào bên trong thực vật

Xung quanh vùng rễ của các cây trồng trên cạn hay trồng dưới nước luôn tồn tại một vùng oxy hoá Đó là do:

Sự giải phóng ôxy do rễ gây ôxy hoá Fe2+, đồng thời làm tăng độ axit theo phản ứng:

Fe2+ + O2 + 10H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+

Giải phóng ion H+ và CO2 từ rễ qua quá trình hô hấp dẫn đến làm thay đổi pH đất

Những chất tiết thải của rễ có chứa các enzyme, vitamin, đường và nhiều loại axit hữu cơ phân tử bé rất hấp dẫn cho nhiều loài vi sinh vật Do đó, vùng quyễn rễ là nơi có mật độ vi sinh vật cao, hoạt tính sinh học lớn hơn các vùng khác và đó cũng là nguyên nhân xảy ra nhiều quá trình chuyển hoá các chất và cũng là nguyên lý cho việc sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm đất, nước

⁎ Quá trình tích tụ

Xảy ra ở rễ, lá và những cơ quan khí sinh Khi các chất ô nhiễm được rễ hấp thụ, một số di chuyển vào các tế bào xong rồi bi bài tiết ra ngoài, còn một số còn đọng lại bên trong thực vật

1.3 Các phương pháp xử lý:

Trong thực tế, công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật đòi hỏi phải đáp ứng một

số điều kiện cơ bản như dễ trồng, có khả năng vận chuyển các chất ô nhiễm từ đất lên thân nhanh, chống chịu được với nồng độ các chất ô nhiễm cao và cho sinh khối nhanh Tuy nhiên, hầu hết các loài thực vật có khả năng tích luỹ KLN cao là những loài phát triển chậm và có sinh khối thấp, trong khi các thực vật cho sinh khối nhanh thường rất nhạy cảm với môi trường có nồng độ kim loại cao

Xử lý KLN trong đất bằng thực vật có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào từng cơ chế loại bỏ các KLN như:

- Phương pháp làm giảm nồng độ kim loại trong đất bằng cách trồng các loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại cao trong thân Các loài thực vật này phải kết hợp được 2 yếu tố là có thể tích luỹ kim loại trong thân và cho sinh khối cao Có rất nhiều loài đáp ứng được điều kiện thứ nhất (bảng 1), nhưng không đáp ứng được điều kiện thứ hai Vì vậy, các loài có khả năng tích luỹ thấp nhưng cho sinh khối cao cũng rất cần thiết (bảng 2) Khi thu hoạch các loài thực vật này thì các chất ô nhiễm cũng được loại bỏ ra khỏi đất và các kim loại quý hiếm như Ni, Tl, Au, có thể được chiết tách ra khỏi cây

- Phương pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại trong đất hoặc bùn bởi sự

linh động của kim loại, ngăn chặn ô nhiễm nước ngầm và làm giảm hàm lượng kim loại khuếch tán vào trong các chuỗi thức ăn

Bảng 1 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao

Bảng 2 Một số loài thực vật cho sinh khối nhanh có thể sử dụng để xử lý kim

loại nặng trong đất

Tên loài

Nồng độ kim loại tích luỹ trong thân (g/g trọng lượng khô)

Tác giả và năm công bố

Arabidopsis halleri

Thlaspi rotundifolium

1983

Thlaspi geosingense

12.000 Ni Reeves & Brooks,

1983

Alyssum bertholonii

13.400 Ni Brooks & Radford,

1978

Alyssum pintodasilvae

1978

Melastoma

Tên loài Khả năng xử lý Tác giả và năm công bố

1999

nước ngầm

Punshon và Adriano, 2003

Brassica napus, B

Juncea, B nigra

Chất phóng xạ, KLN, Se trong đất

Brown, 1996 và Banuelos

et al, 1997

al., 2001

thải mỏ khoáng sản

Horne, 2000

Phragmites australis KLN trong chất thải mỏ

khoáng sản

Massacci et al., 2001

Glyceria fluitans KLN trong chất thải mỏ

khoáng sản

MacCabe và Otte, 2000

2 Xử lý kim loại nặng bằng vi sinh vật:

Qua quá trình nghiêm cứu người ta đã chỉ ra rằng có nhiều sinh vật có khả năng tích luỹ KLN trong quá trình sinh trưởng và phát triển Do đó, phương pháp này được ứng dụng trong thực tiễn nhằm khử độc, làm sạch các KLN dựa trên nguyên tắc một số loại vi sinh vật trong nước sử dụng KLN như chất vi lượng trong phát triển sinh khối.Theo Widerrman và Updegraff, một số sinh vật có khả năng chuyển hóa KLN bởi cơ chế sau:

- Tạo kết tủa ở dạng hydroxit

- Tạo kết tủa ở dạng sunfit

- Tạo phản ứng phức hữu cơ

Cơ chế hoạt động của vi sinh vật khử KLN diễn ra như sau:

+ Hấp thụ KLN: khả năng này thuộc về sinh khối nấm mốc Rhizopusarrhizus, chúng hấp phụ Cr là 31mg/g, Ni là 18mg/g, Pb là 373mg/g Chitin cũng là chất hấp phụ sinh học có thể đạt 40 mg Ni/ g và 99mg Cr/g Trong khi đó vi khuẩn

Bacillus có khả năng hấp thụ tới 178gCr/g Các sinh vật trên hấp thụ theo cơ

chế tích lũy KLN chủ yếu trên bề mặt tế bào, sử dụng chúng như các chất vi lượng trong quá trình phát triển sinh khối

+ Oxy hóa KLN :Thio bacillus có khả năng oxy hóa KLN từ dạng hòa tan sang dạng kết tủa, làm giảm tính độc của chúng trong nước Thiobacillus đóng vai

trò quan trọng quá trình oxy hóa quặng pyrite, một số nguyên tố như Al, Cu,

Zn, Pb, Cd, Mn… chuyển chúng sang dạng oxyhidroxit, hydroxit, sunfit kim loại

+ Vi khuẩn khử sunfat : là nhóm vi khuẩn kị khí dị dưỡng phân bố rộng rãi

trong tự nhiên Nguồn năng lượng cung cấp cho quá trình sinh trưởng và phát triển được tạo từ quá trình oxy hóa các hợp chất hidrocacbon, chúng khử SO4 ở điều kiện kị khí thành H2S Vi khuẩn khử sunfat tác động trực tiếp đến nồng độ kim loại hòa tan bằng việc tạo kết tủa dưới dạng sunfit kim loại

III Các vi sinh vật tham gia:

1 Xử lý bằng thực vật (PHYTOREMEDIATIO)

- Cỏ Vetiver:

 Cỏ Vetiver được biết là có mức độ chịu đựng cao đối với một số điều

kiện đất và khí hậu khắc nghiệt, được thử nghiệm về khả năng chịu

đựng của nó đối với một số kim loại nặng phổ biến trong khai thác mỏ

và chất thải công nghiệp ở Queensland

 Hơn 70 nước trên thế giới đã trồng cỏ vetiver với mục đích chính là chống sạt lở, xói mòn… ở các bờ sông, các vùng đồi dốc Đồng thời

làm sạch môi trường nước

 Cỏ Vetiver phù hợp với đất và nước có hàm lượng Al, Mn cao và

những kim loại nặng như As, Cd, Cr, Ni, Pb, Hg, Se và Zn

 Vetiver có thể thích nghi được với rất nhiều loại đất có độ pH dao động từ 3,3 đến 12,5 mà không cần đến biện pháp cải tạo đất nào

 Vetiver sử dụng cơ chếtách chiết bằng thực vật (Phytoextraction) và

cố định bằng thực vật (Phytostabilization)

- Cây sậy (Phragmites maxinus):

 Sử dụng cơ chế cố định bằng thực vật (Phytostabilization)

 Cây sậy được sửu dụng để làm giảm lượng nước ngầm chảy kéo theo các chất ô nhiễm

- Cải xanh (Brassica juncea):

 Cải xanh hấp thụ kim loại từ trong đất Trong thân của loại cây này có thể hấp thụ một lượng lớn kẽm, nickel Khi hấp thụ những kim loại

nặng này chúng không chết mà ngược lại lớn rất nhanh

 Sử dụng cơ chế tách chiết bằng thực vật (Phytoextraction)

- Cỏ ling lăng (Medicago sativa):

 Khi các chất hóa học được thực vật hấp thụ một số chúng không

biến đổi nhiều mà di chuyển qua gỗ và mô thực vật nếu các chất

này bay hơi thì chúng sẽ tồn tại ở dạng khí qua mô lá

Nhưng trong một số trường hợp nhất định, có một số thứ sẽ xảy ra gây nguy hiểm Ví dụ Thủy ngân nguyên có thể bay hơi và bay hơi

hoàn toàn qua mô lá, Hg trong khí quyển rất bền vững và sẽ bị tích

lũy sinh học

 Sử dụng cơ chế bay hơi nhờ thực vật (Phytovolatilization)

- Cây dương xỉ:

 Cây dương xỉ mọc rất nhiều trong tự nhiên cũng có có khả năng

hấp thụ kim loại nặng: đồng, thạch tín Trên lá của loài dương xỉ

này có tới 0,8% hàm lượng thạch tín, cao hơn hàng trăm lần so với

bình thường.Thạch tín được cây dương xỉ lưu trong lớp lông tơ trên

thân cây Cây càng phát triển thì “nhu cầu” thạch tín càng lớn

 Sử dụng cơ chế cố định bằng thực vật (Phytostabilization)

- Cây thơm ổi (Cosmos bipinnuatus): có thể hấp thu lượng chì cao gấp 500

- 1.000 lần so với các loài cây bình thường mà không bị ảnh hưởng